基于Wirtinger不等式的网络化控制系统H∞滤波器分析与设计

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网络化控制系统(Networked Control Systems,NCSs)的种种优点使其在工业中得到广泛应用,也成为理论研究的热点。然而NCSs中网络传输时延的存在可能会降低系统性能甚至导致系统失稳。同时,网络引入不可避免地增加了系统的复杂性,使控制系统遭受来自环境的非线性干扰,近年来,具有时变时延的网络化控制系统的H∞滤波器设计已经成为该领域最热门的主题之一。
  针对网络化控制系统不同于传统控制系统的种种特性,本文研究具有时变时延的NCSsH∞滤波问题,目的是在鲁棒控制框架下,基于李雅普诺夫稳定性定理以及LMI(线性矩阵不等式)技术,设计出使系统稳定并满足一定性能指标的滤波器,通过选取更合适的Lyapunov-Krasovskii(L-K)泛函,应用更先进的放缩技术,以及使用时滞分割方法,全面降低了结果的保守性。具体改进点如下:
  1.首先将网络化控制系统描述成具有时变时延的线性系统,为了处理L-K函数差分后的累加项,利用一次Wirtinger不等式进行放缩,将其整合成二次型,给出了保证滤波系统渐近稳定并满足给定H∞性能指标的充分条件,对比传统的Jensen不等式放缩降低了保守性。针对滤波器设计过程中出现的李雅普诺夫函数参数和待求矩阵之间的耦合项,找到一个特殊引理并结合合同变换的方法进行解耦,最后得到滤波器参数的LMI表达式,并用Matlab求解出滤波器参数值。
  2.为了进一步降低结论的保守性,引入时滞分割思想,该方法将时延下界分成若干等份,得到状态增广的向量,并基于该向量构造出新的增广L-K泛函令其替换1中的V2(k),从而获得了更多的系统信息。同时利用二次Wirtinger不等式再次改进放缩技术,得到保证系统稳定的有界实引理(BRL)。并使用与类似1中的方式解耦,给出滤波器存在的解析形式。
  3.针对2中的L-K泛函的第一项,区别于以往简单的ξ(k),本文继续利用状态增广思想,用包含状态项和状态项一次及二次累加项的增广向量η(k)代替V1(k)的ξ(k),从而进一步降低了保守性。对于增广的状态向量导致的L-K泛函参数与滤波器矩阵难以解耦的问题,本文采用了设置特殊矩阵形式的方法,这种特殊设定一定程度上会引入保守性,但最后的结果对比现有方法仍有较大改进。
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